1、真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 理论设计C波段连续波磁控管设计姚昉,黎深根,武朝辉,张亚辉(北京真空电子技术研究所,北京 )摘要:本文介绍了一种C波段连续波磁控管的设计仿真,首先进行了谐振腔参数设计,通过C S T仿真软件进行本征模分析,建立了高频结构模型模拟动态P I C仿真,再通过对比磁控管预起振时阳极电流的不同状态,反向分析阴极的不同发射条件对磁控管起振的影响.最后完成对磁控管制管测试工作,得到工作电压 k V,工作频率 GH z,输出功率kW,阳极电流 A及效率 的C波段连续波磁控管.关键词:连续波;C波段磁控管;本征模;C S T仿真中图分类号:
2、T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n A D e s i g no fC B a n dC o n t i n u o u sW a v eM a g n e t r o nYAOF a n g,L IS h e n g e n,WUZ h a o h u i,Z HANGY a h u i(B e i j i n gV a c u u mE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp
3、a p e r i n t r o d u c e das i m u l a t i o nf o r t h eCW m a g n e t r o nw h i c hw o r k e d i nt h e f r e q u e n c yo ft h eCb a n d A t t h e f i r s t s t e p,w ed e s i g n e dt h ep a r a m e t e r so f a n i n i t i a l r e s o n a t o r c a v i t y,t h e na c c o r d i n gt oa n a l y
4、 z e t h eE i g e nm o d e sa p p l i e db yC S Ts i m u l a t i o ns o f t w a r e,w h i c hb u i l ta D m o d u l eo fh i g h f r e q u e n c ys t r u c t u r e,d y n a m i cP I Cs i m u l a t i o na l s oh a v eb e e nd i s c u s s e da t t h e s a m e t i m e O n t h eb a s i so f c o m p a r i
5、n g t ot h ed i f f e r e n t s t a t u so f p r eo s c i l l a t i o nc u r r e n t s,w e c a m e t oa c o n c l u s i o n t h a t t h ed i v e r s i t i e so f c a t h o d e e m i s s i o ns t a t e sw o u l d i m p o r t a n t l ya f f e c tm a g n e t r o n sw o r k i n gc o n d i t i o n s F i
6、n a l l y,w e c o m p l e t e d t h ew o r k s f o rm a k i n ga n dt e s t i n gt os a m p l e t u b e ss ot h a tw ed e s i g n e daCb a n dCW m a g n e t r o nw h i c hso u t p u tp o w e r i skW,a t t h eo p e r a t i n g f r e q u e n c yo f GH z,v o l t a g eo f k V,a n dc o r r e s p o n d i
7、n gt o t h ea n o d ec u r r e n t so f Aa n dap o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f K e y w o r d s:CW;M a g n e t r o n;E i g e nm o d e s;C S Ts i m u l a t i o n磁控管具有功率大、效率高、体积小、成本低等优点,在机载气象雷达、弹载导引头、医用放疗、工业加热等军民用领域被广泛应用.其中,脉冲磁控管主要用于各种雷达、导航设备、信标发射机等,连续波磁控管主要用于工业等离子体沉积加热、微波输能等方面,本文讨论的
8、是C波段连续波磁控管的仿真设计工作.民用磁控管常用的有()MH z,()MH z,()MH z,而C波段连续波磁控管波长更短,应用频率更高,系统更小型化,对通信领域和其他微波应用领域能更好地避免干扰.同时,由于连续波磁控管输出频率波动变化小,输出功率稳定,还可以将能量变成微波能进行无线传输.谐振腔参数设计图为C波段连续波磁控管结构示意图.由图可以看出,输出天线将互作用空间内的高频能量耦合至输出窗向外辐射,磁控管腔体采用扇形谐振腔体结构,互作用空间设计是其关键部分,它的几何尺寸和电器参数直接影响磁控管的工作性能 .其中叶片靠近阴极部分设计为窄边,靠近天线部分设计为宽边,谐振腔数为 腔,阴极两端为
9、防止电子溢出的屏蔽帽.谐振腔结构的尺寸设计目标是在 GH z频率下,输出功率为kW,总效率为,考虑到谐V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 图C波段连续波磁控管示意图振腔数(N)为.利用以下公式计算谐振腔初始尺寸:Bb N()()Bb n(r a/r c)()tec()cQLQ()eB/BB/B()r cr aNN()Q /r ar ar a()Nt(r ar ar a)()式中,B为磁场;B为特征磁场;N为谐振腔数;ra、ra、ra 分别为阳极半径、窄叶片端部半径、宽叶片端部半径;rc为阴极半径;为波长;t,e,c分别为总效率、电子效率和回路效率;b,为常数,
10、Q、QL分别为固有品质因素和有载品质因素.计算出的谐振腔初始尺寸如表所示:表C波段连续波磁控管谐振腔参数参数参数值阳极电压Va/k V 阳极电流Ia/A 磁场B/G a u s s 谐振腔数N 阳极半径ra/mm谐振腔半径ra ra/mm 阴极半径rc/mm 叶片厚度tt/mm 上述尺寸是完全根据窄叶片厚度进行设计的,即tt mm时,ra ra,根据式()计算得到Q ,显然固有品质因素过低时,磁控管总效率t显著低于 的目标值.在根据技术指标确定结构参数的计算过程中,人为选取修正系数的做法使设计结果具有较大的不确定性,因此使用C S T模拟软件用于磁控管的仿真设计工作,能有效提高磁控管的设计效率
11、.由于建立模型的需要,对部分结构作了适当简化,如图所示将宽叶片厚度t设为窄叶片厚度t的倍,即tt时,窄叶片端部半径ra 则由最大Q值决定.Ra1Ra2Ra3t1t2图叶片基本结构14001200100080060040020001.001.201.401.601.802.002.202.40/(rac3/rac2)Q0(2.05,12.04)图Qo值随大小谐振腔半径比值的变化(ra/ra)由图、可知,在tt条件下,宽窄叶片端真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 部半径比值ra/ra 时,Q值最大.对应窄叶片端部半径ra mm.这样就得到了仿真所需要的谐振腔参数.
12、本征模分析使用C S T工作室对上述磁控管的 腔谐振腔参数生成模型并进行本征模分析,如图所示,在无隔膜带条件下,模为 GH z,模为 GH z,显然会导致模式竞争;在单隔膜带条件下,模为 GH z,模为 GH z;在双隔膜带时,模为 GH z,模为 GH z,模式分隔度优于前两者.因此该磁控管阳极设计成双端双隔膜带结构,以保证较高的模式分隔度.图给出了阳块结构示意图,结合图可知,在双端双隔膜带结构条件下,该磁控管工作频率只有 GH z,略高于 GH z目标设计值.因此可以通过增加隔膜带间隙,即减少磁控管隔膜带等效电容来降低本征模频率.使用C S T本征模计算参数wrs rs 进而达到频率设计优
13、化的目的,优化后的场分布如图所示,优化前后对比结果如表所示.图扇形谐振腔的模式离散图图双端双隔膜带结构示意图表优化前后模式频率结果参数隔膜带间隙/mm模/GH z 模/GH z模式分隔度/MH z优化前 优化后 图优化后的模场分布动态P I C模拟仿真确定优化后的结构参数条件下,通过等效理论及能自洽验证的P I C粒子仿真,来验证该磁控管互作用空间的工作状态 .模拟以 k V阳极电压,阴极发射电流 A作为P I C的仿真输入,利用C S T工作室计算出输出功率、工作频率和阳极电流.图显示了P I C仿真结果,图(a)为磁控管工作时的电子束轮辐;图(b)输出信号结果显示输出功率为kW;图(c)频
14、域特征结果显示工作频率为 GH z,其中模频率为 GH z,模式分隔度 ,与本征模计算结果一致.图(d)显示阳极电流为 mA.结合 k V阳极电压,kW输出功率,计算得出磁控管总效率为 .由图(d)显示,到 n s,阳极电流为,阴极第一次热发射电子一部分打在阴极上,成为回轰电子,另一部分成为未打到阳极上的空间电子云.在 至 n s内,阳极电流呈线性上升趋势,说明空间V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 图P I C仿真结果电子云大部分都打在阳极上,此时还未建立稳定高频场,回轰电子和稳定在互作用空间的电子很少;而在 至 n s,阳极电流又呈线性下降趋势,结合图(a
15、),我们可以看到该时间内,随着空间高频场的稳定,空间电子云回轰至阴极的电子开始增加,而分配给阳极的二次发射电流也开始形成,n s之后阳极电流稳定在 mA.由此可以推断,至 n s时段内,阳极电流的变化过程便是磁控管起振前的预振荡过程,同时阴极二次发射电流也是一个随着回轰能量变化的过程.阴极分析结合图(a)结构示意图,该磁控管阴极选择直热式螺旋金属结构模型,l为阴极高度,与叶片高度一致,与圆柱形金属结构阴极不同,螺旋结构表面并不完全平行于叶片表面,一次热发射电子的发射角度、回轰角度、回轰功率及发射表面均不一致.利用以下公式定义阴极等效发射表面积Sx为:Sx xScx(d)l丝长()式()中Sc为
16、螺旋结构阴极的总表面积,d为丝直径,x为有效发射面积与总发射面积的比值,该阴极等效表面第一次热发射的电流Ix为:Ix xIcx Sc()式()中为阴极的电流发射密度,根据式(),在C S T粒子工作室将螺旋阴极总表面一次热发射电流Ic设置为 A,并以 A的间隔,从 到 A作为仿真输入进行扫描计算,得到阳极电流结果如图(b)所示:当阴极发射表面为螺旋结构时,如果阴极一次发射电流不足,等效发射面积与总发射面积的比值x就越小,空间高频场建立不稳定,磁控管预振荡过程中阴极一次电子大部分打到阳极上.由Ic A的曲线可以看出,如果一次发射电流充足,x随之变大,稳定空间高频场越容易建立,在 至 n s的预振
17、荡过程中阳极收集到的一次发射电流的峰值也相对变低.图阴极结构及阳极电流真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 阴极一次热电子发射 A和 A对应的收集电流如图所示,明显可以看出 A曲线比 A曲线更加平滑,说明螺旋结构阴极发射能力的不同会引起磁控管起振能力的不同,阴极表面发射电子越多,空间高频场就越容易建立,打在阳极上的一次发射电子就相对越少,而二次发射电流则建立得更平稳,这样的好处是磁控管起振更平稳.图阴极收集电流对比图制管实验根据上述设计结果,开展试制管工作,从第一支样管记录相应实验数据,得到参数结果如表所示.由表可知,该连续波磁控管共试制支样管,阳极高压与仿真输
18、入条件相同时,样管输出电参数未符合要求.由阴极直流电压电流数据可知,样管阴极发射性能最差,同等阴极工作电压条件下,螺旋阴极的直流导通电流为 A,整管输出功率只有 W;而样管阴极导通电流能有 A,输出功率却能达到 W,样管各项电参数最终满足设计指标,由此可以验证,当互作用空间内发射性能越强的阴极越能使磁控管电参数达到理想设计值.图 给出了管测试状态及电参数的实测值.表管到管实验参数管号阳极高压/k V阴极电压/V阴极电流/A频率/MH z输出功率/W阳极电流/A效率/图 样管及测试参数实测值结论本文介绍了一种C波段连续波磁控管的仿真设计工作,重点介绍了其谐振腔的初始参数设计,冷腔本征模优化,通过
19、磁控管的动态P I C仿真阳极电流结果,反向分析阴极发射能力对磁控管起振的影响,并进行了样管的制管和热测工作.本次通过基于C S T软件仿真设计,正向设计并试制了支样管,测试后最终得到工作电压 k V,工作频率 GH z,输出功率kW,阳极电流 A,效率 的C波段连续波磁控管.参考文献庞姬连续波磁控管电磁兼容特性的研究D成都:电子科技大学,杨克俊电磁兼容原理与设计技术M第一版北京:人民邮电出版社,张国柱家用微波炉磁控管仿真与EM I问题改善D成都:电子科技大学,李会成,杨金生,朱程,等C波段同轴磁控管研制J真空电子技术,():电子管设计手册编辑委员会磁控管设计手册M北京:国防工业出版社,:李新
20、义,邓美华,郭凡,等 C X波段同轴磁控管互作用腔快速工程计算方法研究J真空电 子技 术,():常乐,杨金生同轴磁控管工作状态的初步模拟C中国电子学会真空电子学分会第十六届学术年会,中国:包头,:(下转第 页)V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 同一批次敏化倍增极零件进行装管验证,测得增益平均值比优化前提高了 ,验证了研究结果可行.这款高收集效率电子光学输入系统装配简单、加工难度低,可推广至同尺寸其他类型产品,同时该研究方法为解决光电倍增管结构优化问题提供了参考思路.参考文献武兴建,吴金宏光电倍增管原理、特性与应用J电子设计工程,():周荣楣光电发射、次级电子
21、发射与光电倍增管M成都:电子科技大学出版社,:史久德光电管与光电倍增管M北京:国防科技工业出版社,:郑毅松,吕继东,杨红军,等一种具有折线结构倍增面的 光 电 倍 增 管 电 子 光 学 输 入 系 统 P中 国:C N ,周荣楣,涂国盛小型高温快速大电流光电倍增管的研制J真空电子技术,():郭乐慧,田进寿,卢裕,等一种用于中微子探测的 i n c h光电 倍 增 管 的 优 化 设 计 J物 理 学 报,():收稿日期:作者简介:张杰(),硕士研究生,桂林电子科技大学,真空光电探测器件,E m a i l:q q c o m.(上接第 页)J u n g I LK i m,S e o k G
22、 yJ e o n,G e u n J uK i m,e ta lI n v e s t i g a t i o no f M i l l i m e t e r W a v e l e n g t h V a n eS p a t i a l H a r m o n i cM a g n e t r o nU s i n gT h r e e D i m e n s i o n a lP a r t i c l e i n C e l lS i m u l a t i o nJ I E E E T r a n s P l a s m aS c i e n c e,():S c h u n e
23、 m a nK,S o s n y t s k i ySV,V a v r i vD M S e l f c o n s i s t e n tS i m u l a t i o no ft h eS p a t i a l H a r m o n i c M a g n e t r o nw i t h C o l d S e c o n d a r y E m i s s i o n C a t h o d eJ I E E ET r a n s P l a s m aS c i,():S o s n y t s k i ySV,V a v r i vD M T h e o r yo ft
24、 h eS p a t i a l H a r m o n i c M a g n e t r o n:A n E q u i v a l e n t N e t w o r k A p p r o a c hJI E E E T r a n s P l a s m aS c i,():S c h u n e m a n nK,S e r e b r v a n n i k o vAE,S o s n y t s k i tSV,e ta l O p t i m i z i n g t h e S p a t i a l H a r m o n i c M i l l i m e t e r W a v e M a g n e t r o nJ P h y s P l a s m a,():收稿日期:作者简介:姚昉(),男,工程师,主要研究方向为正交场器件,E m a i l:x d y f_ c o m.武朝辉(),女,高级工程师,主要研究方向为磁控管研制,E m a i l:w u_z h a o_h u i c o m.
